不再依賴充電線!高續航力穿戴設備問世

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每年九月,蘋果迷期待著新產品的發表,穿戴式設備也成為近年來大家關注的焦點。然而,這類設備面臨的最大挑戰是電池壽命有限,難以滿足全天候健康監測需求,美國華盛頓大學的一項研究為此帶來了突破,他們利用人體與裝置之間的溫差產生電流,也就是說,可以利用人體作為充電源,藉此提升穿戴設備的續航能力,這項研究採用了碲化鉍(Bi2Te3)和共晶鎵銦合金(EGaIn)作為基礎材料,具備高效充電、自我修復及彈性延展的特性,並能透過Peltier效應反向操作,實現溫度控制,為使用者提供保暖或降溫的功能,這項技術為穿戴式裝置的未來應用開啟了更多的可能,讓健康監測更具完整性,在穿戴上也能更加貼近使用者的需求。

撰文|黃鼎鈞

每年九月份都是蘋果迷最期待的時節,因為蘋果公司通常會在這個月份發表新產品,隨著科技的日新月異,蘋果的發表會焦點已不僅限於新款手機的發布,還有另一個亮點——穿戴型設備,穿戴式裝置的應用已經逐漸從追蹤日常運動的基本功能,進展到更為複雜的健康監測,透過與人體的緊密接觸,即時收集並分析生理數據,幫助使用者更好地瞭解自身的健康狀況。儘管穿戴式裝置具有極大的潛力,它們目前仍面臨一些挑戰,首先,電池壽命是主要瓶頸之一,大多數穿戴裝置依賴內建電池供電,容量有限,通常在幾天內就需要充電,這不僅無法滿足全天候健康監測的需求,也讓經常出門旅行的使用者需要額外攜帶充電線,此外,電池的尺寸和重量限制了裝置的設計與舒適性,且材料的彈性不足,無法完全符合人體曲面的需求,導致裝置的機械耐久性不夠理想。

圖1:穿戴式裝置示意圖|來源:MotionElements

那麼,是否有可能製造出高續航力又舒適的穿戴式裝置呢?就在同年八月,美國華盛頓大學 (University of Washington) 在《Advanced Materials》期刊上發表了一項研究,他們利用人體與電子設備之間的溫差來產生電流,作為穿戴式設備的電力來源,實驗結果顯著提升這類裝置的續航能力,研究團隊採用了碲化鉍 (Bi2Te3) 作為裝置的基礎材料,這種材料能產生顯著的Seebeck效應。Seebeck效應是一種熱電轉換現象,當兩種不同材料的接點之間存在溫差時,材料中的自由電子會從高溫區移動到低溫區,從而產生電壓,電壓的大小取決於材料的Seebeck係數和溫度梯度的大小。由於Bi2Te3擁有較高的Seebeck係數 (200-235 μV/K),因此在小的溫差下也能產生較大的電壓,適合用於依賴人體熱量的小型穿戴設備,不僅如此,Bi2Te3的低熱導率 (1.2-1.6 W/m·K) 還能減少熱量散逸,進一步提高熱電轉換效率。

圖2:Seebeck效應示意圖,圖片左側加熱自成溫差,透過鐵與銅的導線串接,從右側檢流計可以觀察到電流通過,也就是說,溫度的差異能夠造成電子的流動|來源:Wikimedia Commons

為了增強裝置的穿戴性,研究人員還加入了共晶鎵銦合金 (Eutectic Gallium-Indium,EGaIn),這是一種由75%的鎵和25%的銦組成的液態合金,具有優異的導電性,能在人體活動時保持穩定的電流傳輸,此外,EGaIn具備獨特的自我修復能力,當裝置經過多次拉扯後,該液體材料能重新流動,形成新的導電通道,根據團隊的測試,裝置經過2000次拉伸循環後仍能維持功能,並保持穩定的電壓,證明了其自我修復的能力,進一步展現出其耐用性。

除此之外,這些裝置還可以利用Peltier效應進行反向操作,實現加熱和冷卻功能,Peltier效應指的是當電流通過兩種不同材料的接點時,會產生或吸收熱量,導致該接點發熱或降溫,進一步來說,當電流通過不同導體或半導體材料時,電子在材料之間的轉移會伴隨能量的變化,從而引起熱的釋放或吸收,因此,當施加外部電流時,裝置能夠調節溫度,為穿戴者提供客製化的溫度控制。研究團隊發現,通過施加1A的電流,裝置表面溫度在3分鐘內快速升高或降低,顯示出優異的熱調節性能。

這項研究讓我們看見了熱電裝置在穿戴設備中的巨大潛力。特別是Bi2Te3和EGaIn的材料組合,使得裝置不僅能有效利用人體熱量進行充電,還具有高度的彈性、耐久性和自我修復能力,這一技術突破為穿戴設備的續航能力提供了新的設計策略,解決了目前市場上許多裝置面臨的電池壽命和舒適度的瓶頸。未來,這些裝置不僅能實現全天候的健康監測,還可利用Peltier效應為使用者提供溫度的調節,在夏天能為身體降溫,在冬天能為身體保暖,進一步拓展了穿戴式設備的應用潛力,隨著這項技術的進一步發展,相信在不久的將來,穿戴裝置將為我們的日常生活再度帶來巨大的改變。

 


參考文獻

  1. Han, Y., Tetik, H., & Malakooti, M. H. (2024). 3D Soft Architectures for Stretchable Thermoelectric Wearables with Electrical Self‐Healing and Damage Tolerance. Advanced Materials, 2407073.
  2. Snyder, G. J., & Snyder, A. H. (2017). Figure of merit ZT of a thermoelectric device defined from materials properties. Energy & Environmental Science, 10(11), 2280-2283.
  3. Drebushchak, V. A. (2008). The peltier effect. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 91, 311-315.
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